4.1 Общие понятия

Искусственные радиолокационные отражатели - это устройства направленного отражения (как правило, большого уровня) радиоволн. Приведенные выше отражатели простой формы имеют высокий уровень ЭПР в очень узком секторе углов (плоские отражатели см. 2_4) или ненаправленное рассеяние (цилиндры) только в одной плоскости [4], [19], [20], [31]. Для расширения углового сектора с высокой ЭПР проектируют специальные устройства _ пассивные направленные переизлучатели электромагнитной энергии и активные усилители-ретрансляторы, радиолокационные отражатели. Они используются для увеличения эффективной площади рассеяния ложных радиолокационных целей и ловушек [31].

К пассивным переизлучателям относятся уголковые отражатели, линзы Люнеберга и антенные решетки Ван-Атта. Радиолокационные отражатели широко применяются в качестве навигационных знаков, маркеров и буев при управлении движением воздушного и морского транспорта, служат эталонами при градуировке и калибровке различных радиолокационных устройств, являются средством увеличения радиолокационной контрастности малых морских судов, метеорологических зондов и космических аппаратов, используются в качестве мишеней, радиолокационных ловушек и ложных целей.

4.2 Двугранный уголковый отражатель

Уголковые отражатели [31] представляют собой жесткую конструкцию из двух или трех взаимно-перпендикулярных металлических граней (различной формы). Металлические двугранные уголковые отражатели представляют собой простейший тип радиолокационных отражателей. На практике они используются относительно редко, так как они являются широкоугольными отражателями только в одной плоскости. Тем не менее двугранные отражатели часто входят как составные элементы в различные конструкции, для которых рассчитываются рассеянные поля, поэтому они представляют особый интерес.

Двугранный уголковый отражатель состоит из двух плоских металлических граней (рис. 13), развернутых под определенным углом 0<<р (чаще всего 900). В результате при падении плоской волны между его гранями возникают двукратные или многократные переотражения. Внутренние поверхности граней, если они достаточно велики по сравнению с длиной волны, образуют систему из двух плоских зеркал. Угол определяет кратность переотражения волн между гранями. При <р/2 отражения оказываются многократными.

Для расчета характеристик рассеяния двугранных уголковых отражателей больших по сравнению с длиной волны размеров можно использовать метод последовательных приближений Вестпфаля (многократных переотражений от граней на основе метода физической оптики), но чаще всего используют апертурный метод [31], который основан на представлении геометрической оптики. Согласно этому методу строятся эквивалентные синфазные апертуры, которые затем, на основе представлений физической оптики, рассматриваются как источники рассеянного поля в виде плоских пластин соответствующего размера и формы.

а б

Рис. 13 Двугранные уголковые отражатели:

а - двукратное отражение при >р/2; б - трехкратное отражение при <р/2

Такие представления для двухгранного уголка с прямоугольными гранями дают следующее выражение для моностатической диаграммы ЭПР

(40)

где .

Основным недостатком двухгранных отражателей является тот факт, что они обладают широкой моностатической диаграммой ЭПР только в плоскости, перпендикулярной ребру уголка. В ортогональной плоскости, которой принадлежит грань А-А (см.рис. 13), ЭПР принимает максимальное значение на биссектрисе угла и определяется таким же выражением, как и у прямоугольной пластины, совпадающей с раскрывом уголкового отражателя,

. (41)

Для иллюстрации сказанного на рис.14,а,б приведены диаграммы ЭПР двухгранного уголкового отражателя с в главных плоскостях.

Результаты получены численно с помощью программы FEKO [38]Результаты расчетов получены в НОЦ каф. АиРПУ ТТИ ЮФУ «Центр компьютерного моделирования и электронных САПР антенн и устройств СВЧ»..

а

б

Рис.14. Диаграммы ЭПР двухгранного уголка в ортогональных плоскостях

Следует отметить, что даже в плоскости, перпендикулярной ребру уголка (см.рис.14,а), ширина диаграммы ЭПР по половинной мощности не превышает вне зависимости от размера пластин.

4.3 Трехгранный уголковый отражатель

В зависимости от формы они могут быть треугольными, прямоугольными и секторными (рис. 15) [4, 19, 20, 31]. Уголковые радиоотражатели даже небольших размеров обладают значительными ЭПР. ЭПР, однако, очень сильно зависит от точности выдержки прямых углов между гранями. Например, уголковый отражатель с треугольными гранями при а =125 см и л = 3,2 см имеет максимальную ЭПР, равную 1·104 м2. При отклонении углов между гранями от прямых всего на 1° ЭПР снижается в 30 раз и равна примерно 300 м2. Для треугольных, прямоугольных и секторных уголковых отражателей максимальные ЭПР соответственно будут:

, , , (42)

где а - длина ребра отражателя.

а б в

Рис. 15. Уголковые отражатели с гранями:

а - треугольный; б - прямоугольный; в - круглый

По сравнению с изотропными телами уголковые отражатели обладают направленной диаграммой рассеяния.

Максимальная ЭПР уголка возрастает при увеличении размера его граней и уменьшении длины падающей волны.

Менее чувствительны к погрешностям изготовления уголки с треугольными гранями, имеющие более широкую и равномерную диаграмму направленности [4], а также обладающие большей жесткостью граней. Поэтому их применяют гораздо чаще, несмотря на то, что для получения той же ЭПР требуется несколько больше материала, чем на отражатели с квадратными гранями.

На рис.16,а,б,в приведены моностатические диаграммы ЭПР уголковых отражателей, приведенных на рис.15, с ребрами 10см.

а б в

Рис.16. Моностатические диаграммы ЭПР уголковых отражателей

Как показывает рис.16,а, уголок с треугольными гранями имеет на порядок меньший уровень ЭПР по сравнению с уголками из квадратных (см. рис.16,б) и секторных (см. рис.16,в) граней. О более равномерном характере диаграммы уголка с треугольными гранями [4] по результатам строгих расчетов (см.рис.16) говорить не приходится. Из рис.16 следует, что наиболее равномерная диаграмма у секториального уголка, а наиболее неравномерная - у треугольного.

Для сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными на рис.18 приведены расчетные диаграммы ЭПР секториального трехгранного уголка (рис.17) с ребром 15см, а на рис.19 - эго экспериментальная диаграмма на частоте 10ГГц.

Экспериментальные исследования характеристик уголка проведены в безэховой камере Центра коллективного пользования (ЦКП) «Прикладная электродинамика и антенные измерения» кафедры АиРПУ ТТИ ЮФУ. http://airpu.tsure.ru/mac/index_mac.php

Рис.17. Трехгранный секториальный уголок

Рис.18. Расчетная диаграмма ЭПР трехгранного секториального уголка с ребром 15см на частоте 10ГГц

Рис. 19. Экспериментальная диаграмма ЭПР трехгранного секториального уголка с ребром 15см на частоте 10ГГц

На практике часто необходимы отражатели, одинаково хорошо работающие на волнах линейной и круговой поляризаций. В связи с этим конструкции уголковых отражателей усложняются, обеспечивая задержку одной из ортогональных компонент электромагнитного поля по отношению к другой. Например, параллельно одной из металлических граней уголка располагается диэлектрическая пластина. Отражение от этой грани происходит без изменения фазы на 180°. Поэтому исключается отличие поляризаций падающих и отраженных волн (рис. 20,а,б).

Другой способ применения диэлектрика состоит в заполнении всей внутренней полости уголка. Причем нижняя грань представляет собой поверхность раздела диэлектрик-металл (рис. 20,в). Для расширения диаграммы рассеяния уголковых отражателей их группируют в различные достаточно громоздкие конструкции [4].

Плоские решетки из уголковых отражателей имеют ЭПР, пропорциональную квадрату числа отражателей, но в узком секторе, обусловленном множителем решетки [39]. Некое приближение (но неравномерное) к круговой направленности удается получить при соединении уголковых отражателей в кольцевые решетки и многогранники.

В целях увеличения сектора рассеяния применяют группы уголковых отражателей, по-разному ориентированных в пространстве.

а б в

Рис. 20. Отражение сигналов от уголковых отражателей:

а - с металлическими гранями; б - с двумя металлическими и одной диэлектрической гранью; в - уголковый отражатель, заполненный диэлектриком

Примерный вид одного из образцов такой группы представлен на рис. 21 [19, 20].

Рис. 21. Конструкция из уголковых отражателей

На рис.22 приведены моностатические диаграммы данного уголка с диаметром дисков 150мм на частоте 10ГГц в его первом квадранте.

Рис.22. Диаграммы ЭПР комбинации 4-х секториальных уголковых отражателей

Как видим, уже четыре уголковых отражателя создают многолепестковую ДР во всем телесном угле. Пятиячеечный отражатель имеет более широкую ДР (рис.23,а). При конструкции из восьми отражателей, называемой октаэдрной группой, получается шестилепестковая ДР (рис.23,б) [19].

а б

Рис. 23 ДР (гипотетические) уголковых отражателей:

а - из пяти ячеек; б - из восьми ячеек

Шесть основных лепестков образуются за счет отражения волн шестью уголками, а два остальных уголка отражают волны вверх или вниз. Острые лепестки появляются вследствие прямого отражения от граней электромагнитных волн.

Увеличением числа уголковых отражателей должно привести к более равномерной пространственной диаграмме отражения во всем телесном угле. При этом многолепестковость диаграммы таким способом устранить не удается.

Основной недостаток комбинированных отражателей состоит в наличии глубоких провалов в ДР. Избежать их можно вращением группы отражателей, вследствие чего образуется результирующая ДР, соответствующая средней ЭПР.

Более широкой и равномерной диаграммой отражения обладают линзы Люнеберга [19].